农村供水水处理技术应用及改进分析

2016-05-19邬晓梅宋卫坤贾燕南徐万昌

中国水利 2016年19期

关键词：原水浊度水厂

邬晓梅，胡孟，宋卫坤，贾燕南，徐万昌

（1.中国水利水电科学研究院水利研究所，100048，北京;国家节水灌溉北京工程技术研究中心，100048，北京）

农村供水水处理技术应用及改进分析

邬晓梅1，2，胡孟1，2，宋卫坤1，2，贾燕南1，2，徐万昌1，2

（1.中国水利水电科学研究院水利研究所，100048，北京;国家节水灌溉北京工程技术研究中心，100048，北京）

农村供水；水处理；技术；优化；应用；建议

截至2015年年底，随着农村饮水安全工程建设任务的全面完成，我国农村饮水安全问题已基本解决。但由于我国农村自然地理、水资源条件复杂，区域条件差别大，一些地区农村饮水安全成果还不够牢固、容易反复，在水量和水质保障、长效运行等方面还存在一些薄弱环节，特别是部分地区水质保障能力还不够坚实，亟须在“十三五”农村饮水安全巩固提升工程建设期间对现有农村供水工程进行更新改造，进一步提升水质合格率。

一、农村供水水处理技术现状及存在问题

农村供水工程水源分散，保护难度大，水质千差万别，水处理难度往往比城市供水更复杂；同时农村供水工程较城市水厂规模小，运行管理水平低，农民经济承受能力差，这也决定了适宜农村的水处理技术应具有操作方便、维护简单、运行成本低等特点。

从现状看，各种水处理技术在农村供水工程中都有不同程度的应用，包括常规水处理技术、预处理及深度处理技术、高氟高砷等劣质地下水处理技术等。但由于农村供水技术基础薄弱，目前农村供水水处理技术应用现状仍不容乐观，适宜水处理技术模式有待建立，主要存在以下问题：

一是仍有部分农村供水工程缺乏必要的水处理设施设备，供水水质安全保障程度不高。据统计，全国千吨万人规模以上农村集中供水工程中，水质净化设施配备比例为72%，消毒设备配备比例为82%，规模以下工程配置率更低。

二是由于基层技术人员缺乏和农村供水技术基础薄弱，部分农村供水工程水处理工艺选择不当，水处理设施建设不规范，造成已建工程不能发挥应有的水质保障作用。如在农村供水工程中常见的絮凝池池型设计偏小、分格为长方形、无圆弧倒角等问题，造成絮凝效果差，出水浊度不达标。

三是部分配套水处理设施设备的农村供水工程，由于水质适应性、稳定性、经济性和可操作性较差，运行管理与维护水平跟不上，导致不能正常使用，存在水质安全隐患。如以地表水为水源的农村供水工程多受季节影响，丰水期雨水充沛，水源水泥沙含量大、浊度高，采用的水处理工艺经常由于不能适应较高浊度原水或工程运行管理人员不能及时调节絮凝剂投加量等，导致出水水质不达标。

四是部分农村供水工程水源属高氟水、苦咸水等劣质地下水，由于所在地区往往难以找到可替代的良好水源，需采用特殊水处理措施，但从工程应用效果来看，现有处理技术尚不成熟。

总的来说，各种技术都有其适用性，需从技术、经济及运行管理多方面综合权衡、详细论证，选择适宜不同农村供水工程的水处理技术。

二、常规水处理技术及选择应用要点

饮用水常规处理技术是指混凝、沉淀、过滤、消毒四种过程的工艺组合，是目前应用最广泛、发展最成熟的水处理工艺，以去除水中悬浮物、胶体颗粒及病原微生物等为主要目标，以浑浊度为主要控制指标。

1.适用范围

常规水处理工艺通常适用于以较清洁地表水为水源的供水工程。需要注意的是，对于属于上层滞水的地下水，由于其埋藏离地表近，易受降雨等气候条件影响，在水处理中要按地表水对待。对于埋藏较深、浊度较低的潜层和承压层地下水，当其他水质指标符合生活饮用水卫生标准时，一般情况仅需消毒即可饮用。

常规水处理工艺在实际应用中应根据原水浊度情况进行适当调整，如当原水浊度较低时，可删减混凝与沉淀单元；当处理浊度较高或含沙量较大原水时，可增设预沉单元，如图1所示。

2.技术应用要点

（1）混凝剂选择与投加

混凝作为常规水处理的第一道工序，其效果好坏对后续工艺运行有着重要影响，混凝剂的选择和投加是关键影响因素。

图1 不同适用条件下常规水处理工艺

表1 不同絮凝池絮凝时间要求

混凝剂选择时，应依据原水水质、药剂适用范围及当地相似条件水厂使用药剂的效果情况选用。目前在农村水厂中应用最多的是聚合氯化铝，其絮凝效果好，对水的温度和pH值适应性强。

混凝剂投加时，为避免在农村供水工程中经常出现的混凝剂投加点不正确、混合不充分、投加粗放等问题，在工程建设和运行管理中应注意以下几点：一是投加点应设置在距离絮凝池不超过120 m的进水管道上；二是需将混凝剂配成一定浓度溶液进行投加，浓度通常为1%~5%；三是投加量应根据试验或参考相似条件水厂运行经验确定，并根据原水水质变化情况进行调节；四是应通过管道混合器、离心泵混合或机械混合池等方式实现混凝剂与原水充分混合。

（2）池型选择与优化

絮凝池、沉淀池的选择，应根据原水水质、供水规模、工程运行管理及技术经济条件等多种因素综合考虑确定。在农村供水工程中，穿孔旋流絮凝池与斜管沉淀池的组合应用最多，但也常见絮凝池分格为长方形、无圆弧倒角等问题，在巩固提升工程中需进一步规范设计与建设。

穿孔旋流絮凝池构造简单、施工方便、造价低，在农村中小型水厂中应用较为广泛，但由于其絮凝效果不佳、受流量影响大，在城市水厂已属淘汰技术。而网格（栅条）絮凝池应用紊流理论，具有絮凝效果好、水力停留时间短等优点，在农村水厂的应用前景更为乐观，可在巩固提升工程建设中用于原有絮凝池的改造，在改造中应注意网格（栅条）的分段布置。

斜管沉淀池利用层流原理，通过安装斜管，缩短颗粒沉降距离及增加沉淀面积，有效减少了沉淀时间，提高了处理效率。但斜管存在易堵塞、需定期更换等问题，给工程运行管理带来了一定难度，也给后续过滤环节带来了处理负担。可通过改造排泥车，实现在排泥同时对斜管顶端的积泥进行表面冲洗，改善斜管堵塞状况。

（3）适宜的水力停留时间

适宜的水力停留时间对絮凝效果的保障非常重要，如果絮凝时间过短，絮体形成不够充分、小且结构松散，在沉淀池不易沉降；如果时间过长，则可能造成絮凝池过大带来的不必要的浪费。从折板絮凝池、栅条（网格）絮凝池、穿孔旋流絮凝池到隔板絮凝池，所需絮凝时间依次增加，如表1所示，当处理低温或低浊水时应取上限。

在实际工程运行中，如存在絮凝池水力停留时间过短、絮凝效果不好的情况，首先可在允许范围内，减少单位时间处理水量，延长絮凝时间；其次可通过絮凝池的改扩建来保障絮凝时间，如采取在穿孔旋流絮凝池分格中加装网格等措施，将其改造成所需絮凝时间较短、絮凝效果较好的网格絮凝池。

农村供水工程中应用广泛的一体化净水设备，往往为了追求设备的紧凑性，牺牲了絮凝池的水力停留时间，有的甚至不设絮凝反应池，给水处理系统的运行可靠性带来风险，在巩固提升工程设计、建设中应避免此类问题的发生。

（4）过滤系统的滤料选择与反冲洗控制

常规水处理工艺中的过滤系统是快滤系统，其核心是控制出水浊度，保障进一步去除沉淀出水中的微小絮体及原虫类病原微生物。

在快滤系统的百年发展历程中，通过池型与工艺的优化、滤料的改性与复配等形成了成熟的以石英砂滤料为核心的过滤系统。目前多数农村供水工程仍采用传统的细砂级和均粒石英砂滤料，石英砂和无烟煤等复配双层滤料和多层滤料也有应用。自20世纪80年代开始，随着超滤技术的发展，在有条件的地方，利用超滤膜过滤系统替代传统过滤系统已成为新的发展趋势。

反冲洗周期和强度是过滤系统运行的重要参数，在农村供水工程中通常由运行管理人员手动控制，一般为固定周期和强度，并不随进水水质及运行状况的变化而改变，经常造成反冲洗不够或过量。随着自动化监控技术的发展，一些有条件的水厂已通过控制滤池液位、水头损失或时间实现自动反冲洗，改善了反冲洗效果，保障了过滤系统的可靠运行。

三、水源微污染条件下水处理技术的发展与应用

水源污染是目前全世界范围面临的普遍问题，对于我国农村数量众多且分散的水源来说，污染问题更为突出，水质问题更为复杂，如微污染水源水中的有机物、氨氮等超标物质，仅采用常规水处理工艺已不能满足出水达标要求。在加强水源保护、防止污染源进入水源地等源头控制措施及针对特定的微污染水源水质进行混凝、过滤等常规水处理单元的强化措施外，预氧化、臭氧活性炭、超滤及生物慢滤等处理技术也得到了快速发展与广泛应用。

1.预氧化与吸附预处理

（1）预氧化

在微污染水源水中加入强氧化剂，可氧化分解去除有机污染物，促进混凝和提高后续常规水处理单元的有机物去除效果，同时由于氧化剂还可杀灭藻类，因此在农村水厂藻类季节性暴发时可用来除藻。

常用预氧化剂包括氯气、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧和高锰酸钾等，其特点和适用范围如表2所示，在实际应用中应根据原水水质特征并结合水厂的消毒措施等综合考虑确定。由于氯气在氧化过程中易生成三卤甲烷等消毒副产物，近年来采用二氧化氯、臭氧等代替氯气作为预氧化剂已成为主流发展趋势。

（2）吸附预处理

吸附预处理经常作为季节性水源恶化或突发污染事件时的应急措施，在农村供水工程中的应用多是投加粉末活性炭。粉末活性炭吸附速度快，可有效去除水中嗅味、色度，但由于其是一次性投加且无良好回收再利用方法，运行费用较高，在农村多数仅用于突发性污染事件。需注意的是，在实际应用中投加粉末活性炭后应采取强化混凝措施，以防对后续过滤单元产生不良影响。

2.臭氧-活性炭技术

臭氧-活性炭联用技术是典型的饮用水深度处理技术，其研发始于20世纪70年代，最早应用于1985年建成的北京市田村山水厂。该技术利用臭氧的强氧化性、活性炭的吸附能力及生物膜的形成，可有效降解去除水中各种稳定性有机微污染物，灭活水中各类病原微生物，提高饮用水的生物安全性。

随着近年水源污染加剧，臭氧-活性炭联用技术得到了快速发展与进一步推广应用，国内越来越多现有水厂的改造及新建水厂采用臭氧-活性炭联用技术，李圭白院士将“常规水处理工艺+臭氧-颗粒活性炭”工艺称为第二代净水工艺，工艺流程见图2。

但目前臭氧-活性炭联用技术在农村水厂应用还较少见，在农村供水工程中多为单独使用颗粒活性炭吸附技术，通常适用于有机物含量较低情况（如耗氧量不大于 5 mg/L），包括采用活性炭石英砂双层滤料滤池或在快滤池后设置活性炭吸附池，都是简单有效地去除微量有机物、嗅味物质及色度的方法。

3.超滤技术

超滤膜孔径在10-1~10-3μm区间范围内，介于微滤和纳滤之间，可有效滤除水中颗粒物及微生物。近年随着膜技术的发展，特别是由于超滤膜具有操作压力和成本较低的优势，及其可与常规水处理各单元灵活组合、设备的集成与自动化程度高等特点，超滤技术用于常规水处理工艺升级换代的应用日益增多。

对于以浊水较低的水库水等为水源的农村供水工程，可用超滤单元替代常规工艺中的沉淀过滤单元，出水浊度可稳定低于0.1 NTU；对浊度较高的原水，为拓宽超滤对原水浊度的适用范围，超滤单元可替代常规工艺中的过滤单元。

对于微污染原水，可通过超滤单元前投加粉末活性炭提高有机物等的去除能力，有研究者提出了由混凝、预氧化、吸附和超滤膜生物反应器组合而成的工艺流程，如图3所示。由于超滤能将水中微生物几乎全部去除，所以原则上对膜出水不必再进行消毒，但为防止二次污染，尚需向水中投加少量消毒剂，可显著减少消毒副产物的生成量。

表2 不同预氧化剂应用比较

图2 第二代净水工艺流程

将超滤技术用于农村供水工程，除了超滤膜成本外，膜污染带来的物理和化学清洗是影响超滤技术应用的重要因素。有研究者提出了零污染通量，指在零污染通量下工作，可以极少或基本不对膜进行化学清洗，简化运行操作，运行成本大幅度降低，很有工程实际应用价值。

4.生物慢滤技术

慢滤技术起源于19世纪初，后由于快滤技术的快速发展而被逐渐搁置。20世纪末，人们认识到慢滤能有效去除隐孢子虫、细菌等病原性微生物且运行管理简单，适用于农村地区的小型供水系统，从而重新开始得到推广应用。与传统快滤相比，生物慢滤通过在滤料表面形成的生物膜，可有效提高有机物、氨氮及微生物的去除能力，且无须投加药剂，在我国南方农村地区应用较为广泛。

生物慢滤池一般要求进水浊度不大于20 NTU，当进水浊度较高时，需设置预处理单元，最常见的是配置粗滤池，粗滤可有效降低颗粒物给慢滤池带来的负担。近年研究人员也在不断地改进生物慢滤技术，如增加臭氧预处理、在慢滤滤料中加入颗粒活性炭等，扩大了生物慢滤适宜处理的水源范围，见表3。

依据水源水质特征，将各种预处理技术、深度处理技术与常规水处理单元组合集成联用，是当前微污染水源水净化的基本技术对策。同时，随着科技发展，寻求以膜技术为代表的新型高效的水处理技术也是研究和实践的热点。

四、特殊水质处理技术研究与应用

图3 微污染水超滤处理工艺流程

表3 不同单元组合条件下生物慢滤处理技术适用水源水质要求

受水文地质条件和环境污染影响，当水源为高氟水、高砷水、苦咸水、铁锰超标水等特殊水质地下水时，应首选优质水源替换；无优质水源的情况下再考虑采用成熟稳定的适宜水处理技术。

高氟水、高砷水处理技术以吸附法研究与应用最多，其核心是高效吸附剂的开发。由于高砷水中砷的浓度通常较氟化物浓度低2个数量级以上，吸附法除砷较除氟更有优势。除砷吸附剂以水合羟基铁氧化物为主，在内蒙古等地小型农村除砷供水工程中取得了较好的应用效果，混凝过滤法除砷在美国、欧洲等一些大型水厂有一定应用，也在我国饮用水突发性砷污染事件的应急处理中取得良好效果。而对于除氟吸附技术，由于活性氧化铝、活化沸石、羟基磷灰石等传统吸附剂在实际工程应用中普遍存在吸附容量低、适用pH值偏酸性、操作复杂等问题，影响了吸附法除氟技术的推广应用，目前运行良好的多为反渗透除氟工程，但存在浓水排放量大、投资和运行费用高等问题，多采用分质供水方式，以减少处理水量和成本。

苦咸水处理技术以膜法为主，反渗透法因技术成熟、脱盐效率高，适用于不同类型苦咸水，在内蒙古、天津、河北等农村苦咸水处理工程中都有应用，但其推广也同时受限于较大的浓水排放量和较高的制水成本。近年新型高通量、耐污染和低成本的膜材料的开发、预处理工艺的优化及清洗方法的改进已成为研究和应用的热点。其中纳滤膜截留选择性较反渗透膜强，对硫酸根、钙镁离子等多价离子截留率高，且操作压力低，对于我国西北典型的硫酸盐氯化物型苦咸水淡化处理适用性较好，也可作为反渗透膜的预处理工艺，可改善反渗透膜的抗污染能力，提高产水率。

高铁锰水中铁锰共存，选择处理技术时需同时考虑铁和锰的去除，目前在我国农村地下水除铁锰工艺中，应用的主流技术是接触氧化法。在工程实践中发现该技术对锰的氧化和去除效果不佳。生物法是针对接触氧化法对锰的去除效果不理想，利用微生物技术提高二价锰的氧化活性、改善锰的去除效果而提出的方法，具有基建费用低、抗冲击负荷强及出水水质较为稳定等优点。2002年在沈阳建立了我国首座大型生物除铁锰工艺水厂，在辽宁、湖南等省的农村地区也得到了一定应用，但受菌群培养时间长、低温下生物活性显著降低等影响，在东北等高铁锰水较普遍存在的地区推广应用存在困难。

农村供水水源水质区域差异性大，每种方法均有一定适用范围和优缺点，农村供水工程在选用特殊水处理技术时，需综合考虑水源水质、运行管理水平和经济承受能力等多种因素，有条件时应进行现场中试试验，慎重选择适用水处理技术。